Az Ősrobbanás utáni első ezredmásodperc anyagát vizsgálják az ELTE fizikusai

2022-ben személyes részvétellel indíthatta el az úgynevezett RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) részecskegyorsító az adatfelvételt, ami nagyban köszönhető az ELTE fizikusai kiváló munkájának is. A részecskegyorsító segítségével jobban megérthetjük az atommagok építőköveinek, a protonoknak a belső struktúráját, valamint tanulmányozhatóvá válik az Ősrobbanás utáni első ezredmásodperc anyaga, a kvark-gluon plazma. A cikkből megismerhetitek a kutatás kereteit, legfőbb kérdéseit, illetve az ELTE STAR-Magyarország kutatócsoport tagjainak (Csanádi Máté, Kincses Dániel, Ayon Mukherjee, Nagy Márton, Tripathy Srikanta) a kutatásban végzett munkáját.

Bizonyára mindannyian hallottatok már részecskegyorsítókról, azonban jogosan merülhet fel az egyszeri, nem fizikus emberben: mik is ezek a gépek, mire használják őket? Mi az a részecskegyorsító? Röviden és leegyszerűsítve a részecskegyorsítók töltött részecskéket – mint a lektronokat (elektron, pozitron), hadronokat (proton, antiproton) –, atommagokat, ionokat és molekulákat gyorsítanak fel nagy energiára. Tulajdonképpen ilyen gyorsító a tv képcsöve is, amely elektronokat gyorsít, természetesen a mag- és részecskefizika területén használatos részecskegyorsítók ennél jóval nagyobb energiákra gyorsítják a részecskéket, ami többek között nagyobb térbeli felbontást tesz lehetővé. Egyébiránt aki járt már az ELTE TTK északi tömbjében, ismeretes lehet neki a Simonyi-féle Van de Graaff-generátor, melynek közepébe egy tekintélyes méretű részecskegyorsító lett építve. Természetesen rengetegféle gyorsító létezik (egyenáramú, lineáris, körkörös), illetve rengeteg gyorsítási elv, azonban a téma, illetve a kutatás megértését nem segíti, valamint elrettenteni sem szeretném az olvasóközönséget, de ha valakit részletesebben érdekel a téma, természetesen nem tántorítom el a kutatómunkától.

A szóban forgó New York-i részecskegyorsító tekintélyes, több kilométeres gyűrűiben hatalmas energiára gyorsított atommagok ütköznek egymással, a nehézionok ütközésekor pedig az őket alkotó protonok és neutronok megolvadhatnak, létrehozva egy olyan közeget, ami utoljára a világegyetem születésekor volt jelen. Ez a közeg a már említett kvark-gluon plazma, kvarkanyag. Amennyiben protonok ütköznek egymással, más folyamatok játszódnak le, a kísérlet fontos kérdése az is, hogy ebben az esetben létrejön-e kvarkanyag. A kísérletek további fontos célja, hogy hozzájáruljon a protonok belső szerkezetének jobb megértéséhez, például annak a kérdésnek a megválaszolása, hogy a kvarkokat összetartó gluonok szerepe mennyire jelentős bennük.

A kísérletek további, mondhatni legfontosabb kérdése, hogy a protont felépítő kötési kvarkok, a kvarkokat összetartó gluonok és a kvantumfluktuáció eredményeként keletkező kvark-antikvark párok milyen szerepet játszanak adott kölcsönhatási energiák esetén, illetve hogy mely alkotóelemek mekkora hányadát hordozzák magának a proton energiájának, perdületének. A proton alkotóelemeinek jobb megértése pedig az atommagokat összetartó erős kölcsönhatások megértését, megismerését is lehetővé teszi, illetve elősegíti. A kérdések megválaszolása érdekében a RHIC részecskegyorsító az egy irányba forgatott perdületű, azaz polarizált protonok ütközéseit vizsgálja. Ehhez a részecskegyorsítón túl további különleges berendezésekre van szükség, amelyek például gyorsítás közben is be tudják forgatni a protonok perdületét a megfelelő irányba, ami elengedhetetlen ahhoz, hogy vizsgálható legyen, hogy a protonok alkotóelemei hogyan, milyen arányban járulnak hozzá a teljes proton perdületéhez, ami közel száz éve nyitott kérdés a szakma számára.

STAR Detector
STAR detektor. Kép forrása: https://epics-controls.org/projects-archive/star/

A STAR kísérlet ELTE-s kutatócsoportjának tagjai – Csanád Máté, Kincses Dániel, Ayon Mukherjee, Nagy Márton, Tripathy Srikanta – 2022-ban online formában és személyesen is részt vettek (és vesznek jelenleg is) a mérésekben, így több hetet is eltöltöttek a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban, ahol műszakvezetői és detektorüzemeltetői feladatokat is elláttak. Részt vettek továbbá az Event Plane Detektor beüzemelésében is, ami tulajdonképpen a kutatás „nulladik” lépcsőfokaként fogható fel, ami nem kizárólag proton-proton, hanem atommag-atommag ütközésekben is fontos és releváns szerepet töltött be. Az üzemeltetői feladatok mellett fontos feladata továbbá a kutatóknak az adatok feldolgozása, értékelése, különös tekintettel a femtoszkópiai mérésekre vagy az adatarchiválásra.

A STAR az idei kutatási időszakra rengeteg fejlesztéssel rukkolt elő, amelyek az ütközések irányával párhuzamosan kirepülő részecskéket hivatottak vizsgálni, szemben az eddigi, főként kizárólag az ütközés irányára merőleges irányban kirepülő részecskék elemzésével. A proton-proton ütközések vizsgálatában a RHIC egyedülálló a világon, „kizárólag itt tudják ultra-relativisztikus energiájú polarizált protonok ütközéseit vizsgálni. Nemsokára beindul a RHIC-nél az sPHENIX-kísérlet is, azután pedig a gyorsító átalakítása következik, a távlati tervek középpontjában ugyanis elektron-atommag ütköztető megépítése áll” – nyilatkozta Csanád Máté, az ELTE Atomfizikai Tanszékének egyetemi docense, a RHIC-Magyarország kutatócsoport vezetője. Izgalmas és fontos időszak következik a STAR kísérletben, amelynek eredményeit nagy kíváncsisággal várjuk.

Kiemelt kép forrása: Amerika legnagyobb részecskegyorsítójában dolgoznak az ELTE fizikusai